激光粉末床熔融銅增材制造的潛力、挑戰(zhàn)及可行性方案

激光粉末床熔融銅增材制造的潛力、挑戰(zhàn)及可行性方案

       高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使銅成為生產(chǎn)要求具有高傳熱能力的零部件的佳材料。比較典型的應(yīng)用如制造管殼式熱交換器，銅材料的效率通過(guò)設(shè)計(jì)得到加強(qiáng)，具有高傳熱系數(shù)和高湍流。然而高性能設(shè)計(jì)通常需要許多制造工藝才能實(shí)現(xiàn)，銅熱交換器的理論效率將被降低。

        通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)的一體化制造，可以有效解決這類問(wèn)題。但是銅增材制造仍然極具挑戰(zhàn)性。在本期谷.透視中，3D科學(xué)谷將對(duì)主流金屬增材制造技術(shù)之一，激光粉末床熔融（LPBF）存在的挑戰(zhàn)及可行性方案的探索情況進(jìn)行概述。

銅的應(yīng)用價(jià)值

       銅 (Cu) 作為一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學(xué)反應(yīng)性、非凡的機(jī)械加工性和成型性以及高導(dǎo)電 (60 × 106 S/m，相當(dāng)于100% 國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn) (IACS) ) 和熱導(dǎo)率 (400 W/mK)。

       由于這些獨(dú)特的特性，純銅在生產(chǎn)用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應(yīng)用的設(shè)備以及電子封裝、汽車和建筑行業(yè)等各種工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備方面受到了廣泛關(guān)注。此外，銅經(jīng)常用作不同合金材料的基材，例如黃銅和青銅，其中分別將鋅和錫合金化。

       材料性能效率通常通過(guò)特定的零部件設(shè)計(jì)來(lái)提高。銅的典型制造工藝，例如粉末冶金 (PM) 和傳統(tǒng)工藝（例如鍛造、機(jī)加工、擠壓和鑄造），可以生產(chǎn)簡(jiǎn)單的幾何形狀。但是難以生產(chǎn)復(fù)雜部件或翅片式熱交換器和散熱器，或者在制造時(shí)需要焊接等其他工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        相對(duì)而言，增材制造工藝對(duì)于這種情況而言就更具優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵霾闹圃炷軌驅(qū)崿F(xiàn)大量薄翅片或具有特定幾何形狀的復(fù)雜流道，這些幾何形狀增加了交換面積和湍流 。此外，增材制造的整體式熱交換器和散熱器將更好地抵抗液體壓力和泄漏。這些可行性為制造性能緊湊型銅熱交換設(shè)備創(chuàng)造了條件。

應(yīng)用潛力--先進(jìn)熱管理

        不過(guò)，即使是在優(yōu)勢(shì)明顯的情況下，純銅和銅合金的增材制造應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn)，包括以下幾點(diǎn)：

1）由于銅及其合金的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率增加了從熔池到周圍區(qū)域的熱傳遞率，并產(chǎn)生高熱梯度和不利后果。

2）對(duì)于激光增材制造來(lái)說(shuō)，高激光反射率是另一個(gè)重要的問(wèn)題。

3）快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導(dǎo)致高孔隙率和較差的機(jī)械、熱和電性能。此外，銅的延展性會(huì)對(duì)粉末去除和回收后產(chǎn)生負(fù)面影響 ，可能是因?yàn)樵诖穗A段構(gòu)建的銅片很容易變形。

4）銅對(duì)氧化的高敏感性使粉末處理變得復(fù)雜。

LPBF 銅增材制造

       LPBF工藝是加工金屬部件常用的增材制造技術(shù)，因?yàn)樗梢陨a(chǎn)極薄和復(fù)雜的細(xì)節(jié)。然而，適用于 LPBF 工藝的金屬材料必須滿足三個(gè)基本要求：低熱導(dǎo)率， 高激光吸收，以及含有高沸點(diǎn)元素 。這些材料特性確保了穩(wěn)定的熔池，使得材料易于加工。

正是因?yàn)槿绱?，銅金屬成為了一種難以用LPBF加工的材料。銅的高導(dǎo)熱性促進(jìn)了從熔池區(qū)域到周圍的快速熱傳遞，導(dǎo)致局部熱梯度增加。因此，層卷曲和分層是常見(jiàn)的缺陷。然而，銅增材制造可加工性的大挑戰(zhàn)與它的激光吸收有關(guān)。

       LPBF 3D打印純銅零件的常見(jiàn)缺陷：（a）球化效應(yīng)和（b）由于熔池和凝固層之間的潤(rùn)濕行為不足導(dǎo)致的微球化效應(yīng)；(c) 當(dāng)大熔池不能徹底潤(rùn)濕底層時(shí)邊緣升高，這種效果疊加在幾個(gè)打印層上，看起來(lái)像一個(gè)凸起的邊緣；(d) 打印層的分層，通常由熱梯度引起 ；(e) 因暴露于激光背反射 12 小時(shí)而導(dǎo)致光學(xué)振鏡損壞的示例。

       那么，怎樣克服LPBF 工藝銅增材制造的挑戰(zhàn)呢？接下來(lái)，我們從設(shè)備及工藝方案和材料方案兩個(gè)角度進(jìn)行了解。

設(shè)備及工藝方案

       根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)是常見(jiàn)的方式。LPBF增材制造工藝優(yōu)化中常用的工藝參數(shù)是激光功率 (P)、掃描速度 (υ)、層厚 (s) 和掃描間距 (h) 。

       例如，有的研究團(tuán)隊(duì)采用連續(xù)光纖激光器，波長(zhǎng)為1070 nm，大功率為400 W，光束直徑為70 μm。采用佳工藝參數(shù)（掃描速度400 mm/s，掃描間距0.12 mm，層厚0.03 mm），得到的相對(duì)密度可達(dá)95%。銅被打印在不銹鋼基板上，表面粗糙度平均值等于18μm。

       Copper_Study_33D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅散熱器：柱狀、螺旋狀和彎管狀。

      上圖顯示了模擬散熱器的結(jié)構(gòu)。3D打印銅散熱器與商用柱狀散熱器和塊狀銅對(duì)應(yīng)物之間的比較表明，3D打印部件的熱導(dǎo)率 (368 W/mK) 和電導(dǎo)率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。

       在優(yōu)化工藝參數(shù)的方式中，使用更高的激光功率進(jìn)行銅增材制造是常見(jiàn)方式。增加激光功率輸入對(duì)銅密度產(chǎn)生積極影響，從而對(duì)其性能產(chǎn)生積極影響。例如有的研究團(tuán)隊(duì)探索了使用大功率為 500 W、光束直徑為 37.5 μm 的紅外光纖激光器銅增材制造工藝參數(shù)，得到的相對(duì)密度為99.3%。工藝參數(shù)的優(yōu)化包括等于 0.03 毫米的固定層厚度和0.09 毫米的掃描間距。

       根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，另一個(gè)克服粉末床激光銅增材制造挑戰(zhàn)的思路是調(diào)整激光波長(zhǎng)。較大的波長(zhǎng)會(huì)降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長(zhǎng)而增加。波長(zhǎng)約為 520 nm 的綠色和藍(lán)色激光將激光吸收率提高到 40%

       Copper_Study_4在主要研究中，銅相對(duì)密度隨激光輸入功率所產(chǎn)生的變化（左）；純銅吸收率隨波長(zhǎng)的變化（右）。

       出于這個(gè)原因，較短波長(zhǎng)的激光器被認(rèn)為是生產(chǎn)全致密銅元件的可靠解決方案。

       根據(jù)業(yè)內(nèi)的市場(chǎng)觀察，這一思路已被工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備制造商所采用。例如，德國(guó)通快集團(tuán)在TruPrint 1000 綠光版3D打印設(shè)備中配備了波長(zhǎng)為515納米的綠光激光器，該設(shè)備可采用指定銅含量大于 99.9% 的高導(dǎo)電純銅ETP（EN CW004A）。鉑力特針對(duì)純銅增材制造，提供搭載綠激光配置的金屬增材制造定制設(shè)備。這種短波長(zhǎng)激光的應(yīng)用將提升銅零件成形的成功率及致密度，同時(shí)降低能量損失和對(duì)設(shè)備損壞的可能性。

       此外，打印平臺(tái)/基板在保持均勻的粉末床溫度和工藝穩(wěn)定性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。因此為銅增材制造選擇合適的基板也是其中一種應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的探索方式。

Copper_Study_5在 (a) 鋁制平臺(tái)(b) 鋼制基板上生產(chǎn)的 LPBF 3D打印銅樣品。

       例如，有研究團(tuán)隊(duì)用相同工藝參數(shù)，分別在鋁制基板和鋼制基板上進(jìn)行銅增材制造，他們使用的參數(shù)為：激光功率為 190 W，激光掃描速度為 500 mm/s。結(jié)果表明，由于高導(dǎo)熱性，鋁制基板將熱量從樣品迅速散發(fā)到致密平臺(tái)。因此，平臺(tái)與試件之間的附著力較差，銅樣品底部發(fā)生翹曲和變形。這種不良的附著力也導(dǎo)致了熔池不穩(wěn)定和不均勻。溫度分布并導(dǎo)致形成引起變形的熱應(yīng)力。另一方面，鋼基板促進(jìn)了具有外翹和變形的冶金結(jié)合的形成，從而提高了工藝穩(wěn)定性。

block 材料方案

       提高 LPBF 工藝銅加工性能的另一個(gè)可行性方案的探索方向是改變?cè)牧稀?br/>

       原材料改性是其中一種途徑。例如有的研究團(tuán)隊(duì)將0.1 wt% 的碳納米顆粒與銅粉混合。使用碳等元素來(lái)增強(qiáng)激光吸收率，而不會(huì)降低熱性能和電性能，碳還降低了熱膨脹系數(shù)，可能有助于提高打印部件的尺寸精度。結(jié)果表明，在 LPBF 過(guò)程中，光吸收率提高（精確地從 29% 到 67%）、流動(dòng)性和原位脫氧，制造的樣品顯示出98%的相對(duì)密度。然而，碳納米顆粒和其他雜質(zhì)沿晶界分離，銅部件的機(jī)械性能和導(dǎo)電性可能會(huì)劣化。建議的解決方案是使用無(wú)磷銅粉和一些碳吸收元素，例如鉻或鈦。

       還有一種方式是通過(guò)在顆粒上創(chuàng)造一層錫和鎳涂層，來(lái)提升銅材料的激光吸收率。與成分相似的原位合金粉末相比，3D打印樣品的孔隙率較低。

       在銅粉中添加少量合金元素也是其中一種途徑。然而，即使是少量的第二元素也可能大大降低銅的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。這個(gè)想法是添加一種或多種導(dǎo)熱率較低的元素。在這些元素中，鉻是常用的元素之一，因?yàn)樗岣吡算~的機(jī)械強(qiáng)度。鉻的存在提高了可加工性，并允許獲得具有提高的拉伸強(qiáng)度的高密度組件。例如，有的研究成功實(shí)現(xiàn)了具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的 Cu-Cr LPBF工藝3D 打印組件。當(dāng)使用一組優(yōu)化的參數(shù)（激光功率為 2000 W，掃描速度為 600 mm/s，掃描間距為 0.2 mm，層厚為 0.05 mm）進(jìn)行處理時(shí)，樣品的終密度為 99.98%。成型后對(duì)零件進(jìn)行熱處理，使Cr顆粒從Cu基體中析出，大大提高了UTS（468 MPa）、YS（377 MPa）和電導(dǎo)率，達(dá)到98.31% IACS。

      根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，通過(guò)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)純銅粉末床激光熔化增材制造的技術(shù)已進(jìn)入到商業(yè)化階段。例如，德怡科技（Infinite Flex ）近日將其可用于標(biāo)準(zhǔn)紅外激光 LPBF 3D打印設(shè)備的純銅粉末材料 Cu 01 推出市場(chǎng)。

Copper_Part3D打印純銅熱交換器樣件

       對(duì)3D打印零件進(jìn)行直接時(shí)效硬化 (DAH)，也是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應(yīng)用產(chǎn)生了細(xì)小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團(tuán)隊(duì)，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，并對(duì)樣件進(jìn)行固溶退火和時(shí)效處理，導(dǎo)致了細(xì)長(zhǎng)晶粒擴(kuò)大。這些熱處理通常用于提高強(qiáng)度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中，而隨后的時(shí)效處理旨在形成進(jìn)一步強(qiáng)化的析出物。

       銅金屬3D打印增材制造工藝呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展。除了本期介紹的LPBF 工藝之外，粉末床電子束熔化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出等幾種增材制造工藝也在銅金屬增材制造領(lǐng)域得到了發(fā)展。3D科學(xué)谷將在后續(xù)發(fā)布的谷.前沿文章中，透視這些技術(shù)在銅增材制造中的挑戰(zhàn)及可行性方案。

        知之既深，行之則遠(yuǎn)，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察，有關(guān)3D打印在細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域的更多分析，請(qǐng)前往3D科學(xué)谷發(fā)布的《銅金屬3D打印白皮書(shū)第二版》。

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